Реферат з теми магістерської роботи
"Дослідження закономірностей формування погодних параметрів на території міста Донецька. Розробка візуальних методів оцінки стану погоди"
Введення
1 Актуальність дослідження
1.1. Мета роботи і наукова новизна
1.2. Завдання роботи
1.3. Плановані практичні результати
2. Розробка пристрою
3. Висновок
4. Література
Введення
До кінця XX століття світове метеорологічне співтовариство досягло видатних успіхів у короткостроковому і середньостроковому прогнозуванні погоди. До таких успіхів можна віднести:
- Наукові досягнення в розумінні глобальних атмосферних процесів і динаміки атмосфери, в математичному описі надходить від Сонця радіації, перенесення, відображення, поглинання короткохвильового і довгохвильового випромінювання, процесів конденсації і випаровування, танення / замерзання опадів, механізмів перемішування повітряних мас, включаючи конвекцію і турбулентність, процесів взаємодії із сушею і океаном;
- Розробку в ряді країн глобальних, регіональних і мезомасштабних гідродинамічних чисельних моделей загальної циркуляції атмосфери, що дозволяють прогнозувати поля метеорологічних елементів на 5-7 діб з прийнятною для багатьох споживачів точністю;
- Створення у великих метеорологічних центрах, оснащених потужною обчислювальною технікою унікальних технологій, що дозволяють впровадити ці моделі в оперативну практику;
- Створення і організацію безперервного функціонування глобальних міжнародних систем спостережень, телезв'язку та обробки даних, що дозволяють здійснювати спостереження за погодою, передачу даних спостережень у метеорологічні центри та розповсюдження продукції в прогностичні центри Національних метеорологічних служб.
1. Актуальність
Погода має дуже важливе значення в людському житті. З розвитком цивілізації важливість прогнозу погоди для людства тільки продовжує збільшуватися. Практично кожна людина приймає пов'язані з погоді рішення щодня, іноді незначні, іноді величезної важливості.
Незважаючи на значні зусилля метеорологів в області прогнозу погоди, інформація про стан погоди все ще буває недостатньою і недостовірною. [1] Протягом більшої частини історії, прогнозування на певній ділянці залежало виключно від спостережень, які можуть бути зроблені на цій ділянці. Спостереження неба, вітру і температурних умов, а також знання місцевої історії - лише обмежені можливості. Погодні знання також накопичуються при спробах кодифікувати очевидну закономірність у поведінці атмосфери.
З розвитком телеграфу в середині 1800-х років, синоптики змогли отримувати спостереження з багатьох віддалених місць протягом декількох годин після збору таких даних. Ці дані згодом можуть бути організовані в так звані синоптичні карти погоди, що означає відображення даних про погоду, яка відбувається у той же самий час на місцевості. Це були попередники синоптичних карт погоди, вироблюваних сьогодні. Фізичних основ атмосферних рухів ще не було, проте було зрозуміло, що прогноз буде залежати від різних емпіричних правил. Найбільш фундаментальні правила, розроблені в цей період - погодні системи та опади у районах низького тиску.
Прогнозування погоди пережило революцію в 1920-х роках у роботах групи норвезьких вчених на чолі з Бьеркнес Вільгельмом. Бьеркнес ввів полярний фронт теорії, що пояснює великомасштабні руху повітряних мас. Його група ввела емпіричні основи опису системи атмосферної циркуляції, циклони й антициклони, формування опадів. [2]
Дуже велике число відбуваються в світі явищ, у тому числі і атмосферних, описується за допомогою часових рядів. Поточний стан погоди зазвичай фіксується через рівні проміжки часу, утворюючи, таким чином, набір взаємопов'язаних рядів метеовеличин. Саме тому спроба аналізу і прогнозу наявних метеорологічних даних є цілком природною. Дослідження починається з розгляду наявної інформації про погоду, отримання даних з метеостанції та їх систематизації. Далі застосовується один або кілька методів аналізу наявних часових рядів спостережуваних метеовеличин. [3]. Далі необхідно класифікувати всі дані і розсортувати для зручної роботи. Потім представити у вигляді, зручному для читання різними пристроями, використовуючи різні методи.
Як приклад пристрою запропоновано використовувати Arduino. Arduino - апаратна обчислювальна платформа, основними компонентами якої є проста плата вводу / виводу і середовище розробки на мові Processing / Wiring. Arduino може використовуватися як для створення автономних інтерактивних об'єктів, так і підключатися до програмного забезпечення, що виконується на комп'ютері (наприклад, Adobe Flash, Processing, Max / MSP, Pure Data, SuperCollider).
Плата Arduino складається з мікроконтролера Atmel AVR (ATmega328P і ATmega168 в нових версіях і ATmega8 в старих), а також елементів обв'язки для програмування та інтеграції з іншими схемами. На багатьох платах присутня лінійний стабілізатор напруги +5 В або +3,3 В. Тактирование здійснюється на частоті 16 або 8 МГц кварцовим резонатором (в деяких версіях керамічним резонатором [4]). У мікроконтролер попередньо прошивається завантажувач BootLoader, тому зовнішній програматор не потрібен.
На концептуальному рівні всі плати програмуються через RS-232 (послідовне з'єднання), але реалізація цього способу відрізняється від версії до версії. Плата Serial Arduino містить просту інвертуйте схему для конвертації рівнів сигналів RS-232 в рівні ТТЛ, і навпаки. Поточні розсилаються плати, наприклад, Diecimila, програмуються через USB, що здійснюється завдяки мікросхемі конвертера USB-to-Serial FTDI FT232R. У версії платформи Arduino Uno в якості конвертера використовується мікроконтроллер Atmega8 в SMD-корпусі. Дане рішення дозволяє програмувати конвертер так, щоб платформа відразу визначалася як миша, джойстик або інший пристрій на розсуд розробника з усіма необхідними додатковими сигналами управління. У деяких варіантах, таких як Arduino Mini або неофіційною Boarduino, для програмування потрібне підключення окремої плати USB-to-Serial або кабелю. [4]
1.1. Мета роботи і наукова новизна
Метою роботи є аналіз та вибір методів обробки метеорологічних даних. Розробка способу отримання даних на пристрій введення виведення. Розробка пристрою для виведення інформації та зворотного зв'язку засобами Arduino.
1.2. Завдання роботи
Для досягнення поставленої мети в процесі досліджень необхідно:
Огляд проблеми аналізу методів моніторингу метеопараметрів.
Аналіз впливу окремих параметрів на стан здоров'я людини *
Складання баз даних вибіркових параметрів і їх оптимізація.
Збірка пристрою і розробка програмного коду для платформи.
Розробка системи, що задовольняє зручності використання.
1.3. Плановані практичні результати
Подальший напрямок нашої наукової роботи пов'язане з використанням платформи Arduino і вивченням синтаксису, а також прийомів роботи з даними і їх прийомом \ передачею.
2. Розробка пристрою
Для реалізації завдання необхідний певний набір компонентів і програмного забезпечення. По перше сама плата Arduino Uno на основі ATmega328 (Використовується конвертер USB-UART на базі ATmega16U2 [4]) (Мал. 1).
Малюнок 1. Плата Arduino Uno
Характеристики даної плати [5]:
|
Microcontroller |
ATmega328 |
|
Operating Voltage |
5V |
|
Input Voltage (recommended) |
7-12V |
|
Input Voltage (limits) |
6-20V |
|
Digital I/O Pins |
14 (of which 6 provide PWM output) |
|
Analog Input Pins |
6 |
|
DC Current per I/O Pin |
40 mA |
|
DC Current for 3.3V Pin |
50 mA |
|
Flash Memory |
32 KB (ATmega328) of which 0.5 KB used by bootloader |
|
SRAM |
2 KB (ATmega328) |
|
EEPROM |
1 KB (ATmega328) |
|
Clock Speed |
16 MHz |
Arduino Ethernet - це плата мікроконтролера на базі ATmega328 (Мал. 2). Вона має 14 цифрових вхідних / вихідних висновків, 6 аналогових входів, кварцовий генератор на 16 МГц, підключення RJ45, роз'єм живлення, з'єднувач ICSP, і кнопку «Reset». Arduino Ethernet відрізняється від інших плат тим, що на ньому немає вбудованої мікросхеми драйвера USB / serial, зате є інтерфейс Wiznet Ethernet. Це той же інтерфейс, що знаходиться на Ethernet-платі розширення.
Вбудований кард-рідер microSD, який можна використовувати для зберігання файлів і роботи з ними по мережі, доступний з використанням бібліотеки SD Library. Висновок 10 зарезервований для інтерфейсу Wiznet, SS для SD-карти виведений на 4 ніжку.
6-контактний послідовний роз'єм програмування сумісний з USB / Serial-адаптером а також з FTDI USB-кабелями або основними перехідними платами USB / Serial FTDI-типу Sparkfun і Adafruit. Його відрізняє підтримка автоматичного скидання, що дозволяє завантажувати скетчі, не натискаючи кнопку Reset на платі. При підключенні до USB / Serial-адаптера Arduino Ethernet живиться від адаптера.
З його допомогою можна створити скетч, який буде здатний:
• отримувати динамічний IP-адресу по DHCP;
• встановлювати час по протоколу NTP;
• резолвіть імена через DNS;
• проходити авторизацію через RADIUS;
• виконувати функції нескладного Web-сервера або виступати в якості Web-клієнта, формуючи запити і здійснюючи парсинг відповідей. [6]
Малюнок 2. Arduino Ethernet
LCD екрана на два рядки (Мал. 3) має цілком вистачити для поставленої задачі виведення даних на екран, отриманих з бази даних.
Малюнок 3. LCD keypad shield
Також на цьому модулі є клавіші навігації, які можна використовувати для виконання функцій або гортання за параметрами.
Модуль заснований на мікросхемі MCP23S17/MCP23017, для якої необхідно вибрати молодші три біти адреси на шині SPI/I2C. Біти вибираються за допомогою перемичок на роз'ємі Address притягненням бітів 0, 1, 2 до "землі" (Gnd) або +5 В (5V).
Адреса кожної мікросхеми повинен бути унікальним, і на одній шині можна розмістити до 8 мікросхем.
Таким чином, можливо, наприклад, підключення до плати Arduino восьми модулів LCD Keypad Shield, або чотирьох модулів LCD Keypad Shield і двох Expander Shield. Якщо застосовувати I2C версії модулів, то вся конструкція буде задіяти всього 2 виводу плати Arduino!
При підключенні декількох модулів LCD Keypad Shield самі РК-дисплеї можуть подключаються, наприклад, за допомогою шлейфів від дисковода, і кутових вилок PLS-16R.
При підключенні декількох модулів слід звернути увагу на те, що підсвічування споживає досить великий струм - близько 100-150 мА.
Управління підтяжкою шини I2C
Для I2C модифікації модуля за допомогою перемичок в лівій частині роз'єму XS включаються або відключаються резистори, що підтягують шину до +5 В. Як правило, підтягує резистори повинні бути підключені якщо на шині I2C тільки один пристрій. Якщо пристроїв кілька, то резистори підключаються тільки у одного з пристроїв.
Нижче представлено стан перемичок при включених підтягаючих резисторах і при відключених. Також, для відключення підтягаючих резисторів можна просто зняти перемички.
Вибір номеру виводу для управління сигналом CS шини SPI
Для SPI модифікації модуля необхідно вибрати висновок мікроконтролера Freeduino / Arduino, використовуваний в якості сигналу CS. Зазвичай використовується висновок 10, що відповідає крайньому лівому положенню перемички на роз'ємі CS. Переставляючи перемичку на одне з двох інших положень, можливий вибір 9 і 8 виведення відповідно.
Налаштування контрастності дисплея
Для налаштування контрастності дисплея використовується підлаштування резистор R3. При неправильно налаштованої контрастності на дисплеї може бути зовсім не видно символів, або видно дуже погано.
Основна концепція полягає в передачі необхідних даних про погоду, виходячи з тимчасових рядів і розробці зворотного зв'язку з сервером, для збору статистики(Мал. 4).
Малюнок 4. Принцип роботи (Анімація, 31 кадр, 7 повторень, 149кб)
Код знаходиться в процесі розробки, але деякі основні функції, використовувані при створенні веб-кліентапріводятся нижче:
# Include SPI.h
# Include Ethernet.h
byte mac [] = {
0xDE, 0xAD, 0xBE, 0xEF, 0xFE, 0xED};
IPAddress ip (192,168,1,177);
IPAddress server (1,1,1,1);
EthernetClient client;
void setup () {
Ethernet.begin (mac, ip);
Serial.begin (9600);
while (! Serial) {
}
delay (1000);
Serial.println ("connecting ...");
if (client.connect (server, 10002)) {
Serial.println ("connected");
}
else {
Serial.println ("connection failed");
}
}
void loop ()
{
if (client.available ()) {
char c = client.read ();
Serial.print (c);
}
while (Serial.available ()> 0) {
char inChar = Serial.read ();
if (client.connected ()) {
client.print (inChar);
}
}
if (! client.connected ()) {
Serial.println ();
Serial.println ("disconnecting.");
client.stop ();
while (true);
}
}
Висновок
Під час роботи були вивчені закономірності формування погодних умов.
У даній статті розглядається ідеологія побудови прогностичної моделі погоди, заснованої на обробці тимчасових рядів.
Дослідження починається з розгляду наявної інформації про погоду, отримання даних з метеостанції та їх систематизації. Далі застосовується один або кілька методів аналізу наявних часових рядів спостережуваних метеовеличин. Це, наприклад, візуальний аналіз у вигляді графіків залежності змінної від часу, відновлення фазової траєкторії, спектральний і статистичний аналіз.
Далі слід найбільш складний і творчий етап - формування структури моделі. На цьому етапі вибирається тип рівнянь, вид входять до них функцій та їх аргументів. Завдання визначення аргументів функції полягає в тому, щоб визначити найменшу розмірність моделі, що забезпечує однозначність прогнозу.
Проаналізовано різні методи моніторингу та методи створення баз даних метеопараметрів. Вивчено основи, прийоми та керівництва з програмування та складанні на платформі Arduino.
Результатом стало отримане пристрій виведення інформації зі зворотним зв'язком і всі супутні матеріали.
При написанні даного автореферату магістерська робота ще не завершена. Остаточна готовність роботи - грудень 2013 року.
Повний текст роботи та матеріали по темі можуть бути отримані у автора або його керівника після зазначеної дати.
Література
1. Повзло С.А., Аверін Г.В. Донецький національний технічний університет - «РОЗРОБКА СИСТЕМИ МОНІТОРИНГУ І ПРОГНОЗУВАННЯ МЕТЕОПАРАМЕТРІВ АТМОСФЕРИ З ВИКОРИСТАННЯМ ІНСТРУМЕНТАЛЬНИХ ЗАСОБІВ, що ПРАЦЮЮТЬ В РЕАЛЬНОМУ МАСШТАБІ ЧАСУ»[Електронний ресурс]. - Режим доступу: http://masters.donntu.ru/2006/fvti/povzlo/library/articles/art1.htm
2. Джордж Хаффман, переклад Каховський Д.А. - «Прогнозування погоди», [Електронний ресурс]. - Режим доступу: ../library/article10.html
3. Погода і клімат: Стаття. [Електронний ресурс]. - Режим доступу: http://www.primpogoda.ru/articles/prosto_o_pogode/pogoda_i_klimat/
4. Вступна стаття про Arduino, [Електронний ресурс]. - Режим доступу: http://ru.wikipedia.org/wiki/Arduino
5. Arduino. Характеристики обладнання. Класифікація. [Електронний ресурс]. - Режим доступу: http://arduino.cc/en/Main/ArduinoBoardUno
6. Arduino Ethernet. Огляд модуля. [Електронний ресурс]. - Режим доступу: http://www.arduino.ru/Hardware/ArduinoBoardEthernet